Utilizando a sensibilidade única ao infravermelho do Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA, os investigadores podem examinar galáxias antigas para sondar os segredos do Universo primitivo. Agora, uma equipa internacional de astrónomos identificou emissões brilhantes de hidrogénio de uma galáxia num período inesperadamente precoce da história do Universo. A descoberta surpreendente desafia os investigadores a explicar como é que esta luz pode ter atravessado a espessa névoa de hidrogénio neutro que preenchia o espaço nessa altura.

Um dos principais objetivos científicos do Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA tem sido o de ver mais longe do que nunca o passado distante do nosso Universo, quando as primeiras galáxias se estavam a formar após o Big Bang. Esta busca já produziu galáxias que bateram recordes, em programas de observação como o JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey). A extraordinária sensibilidade do Webb à luz infravermelha abre também novas vias de investigação sobre quando e como essas galáxias se formaram, e os seus efeitos no Universo na altura conhecida como aurora cósmica. Os investigadores que estudam uma dessas galáxias muito antigas fizeram agora uma descoberta no espetro da sua luz, que desafia a nossa compreensão estabelecida da história inicial do Universo.

O Webb descobriu a galáxia incrivelmente distante JADES-GS-z13-1, observada apenas 330 milhões de anos após o Big Bang, em imagens obtidas pelo instrumento NIRCam (Near-Infrared Camera) do Webb no âmbito do programa JADES. Os investigadores utilizaram o brilho da galáxia em diferentes filtros infravermelhos para estimar o seu desvio para o vermelho, que mede a distância de uma galáxia à Terra com base na forma como a sua luz foi esticada durante a sua viagem através do espaço em expansão.

As imagens do NIRCam produziram uma estimativa inicial de um desvio para o vermelho de 12,9. Procurando confirmar o seu desvio para o vermelho extremo, uma equipa internacional liderada por Joris Witstok da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, bem como pelo Cosmic Dawn Center e pela Universidade de Copenhaga, na Dinamarca, observou a galáxia utilizando o instrumento NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) do Webb.

No espetro resultante, o desvio para o vermelho foi confirmado como sendo 13.0. Isto equivale a uma galáxia vista apenas 330 milhões de anos após o Big Bang, uma pequena fração da idade atual do Universo, que é de 13,8 mil milhões de anos. Mas também se destacou uma característica inesperada: um comprimento de onda de luz específico e nitidamente brilhante, identificado como a emissão Lyman-α irradiada por átomos de hidrogénio, uma emissão muito mais forte do que os astrónomos pensavam ser possível nesta fase inicial do desenvolvimento do Universo.

"O Universo primitivo estava banhado por uma espessa névoa de hidrogénio neutro", explicou Roberto Maiolino, membro da equipa da Universidade de Cambridge e da UCL (University College London). "A maior parte desta névoa foi levantada num processo chamado reionização, que se completou cerca de mil milhões de anos após o Big Bang. GS-z13-1 foi observada quando o Universo tinha apenas 330 milhões de anos e, no entanto, mostra uma assinatura surpreendentemente clara e reveladora da emissão Lyman-α, que só pode ser observada quando o nevoeiro circundante se dissipou completamente. Este resultado foi totalmente inesperado pelas teorias da formação inicial de galáxias e apanhou os astrónomos de surpresa".

O espetro de luz da galáxia distante JADES-GS-z13-1 é representado graficamente como uma linha da esquerda (comprimentos de onda mais baixos) para a direita (comprimentos de onda mais altos). A linha sobe onde um comprimento de onda no espetro é mais brilhante e desce onde é mais escuro. Uma linha vertical vermelha rotulada "Lyman-alpha emission z=13.05" marca um comprimento de onda no espetro onde há um pico notável de brilho. Crédito: ESA/Webb, NASA, CSA, STScI, J. Olmsted (STScI), S. Carniani (Scuola Normale Superiore), P. Jakobsen

Antes e durante a época da reionização, o imenso nevoeiro de hidrogénio neutro que rodeava as galáxias bloqueava qualquer luz ultravioleta energética que estas emitissem, tal como o efeito de filtragem de um vidro colorido. Até que um número suficiente de estrelas se formou e foi capaz de ionizar o gás hidrogénio, nenhuma luz - incluindo a emissão de Lyman-α - poderia escapar destas novas galáxias e chegar à Terra. A confirmação da radiação Lyman-α desta galáxia tem, portanto, grandes implicações para a nossa compreensão do Universo primitivo. Kevin Hainline, membro da equipa, da Universidade do Arizona, nos Estados Unidos, afirma: "Não deveríamos ter encontrado uma galáxia como esta, dada a nossa compreensão da forma como o Universo evoluiu. Podemos pensar no Universo primitivo como estando envolto num espesso nevoeiro que tornaria extremamente difícil encontrar até mesmo faróis poderosos espreitando através dele, mas aqui vemos o feixe de luz desta galáxia a perfurar o véu. Esta fascinante linha de emissão tem enormes ramificações sobre como e quando o Universo se reionizou".

A fonte da radiação Lyman-α desta galáxia ainda não é conhecida, mas pode incluir a primeira luz da primeira geração de estrelas a formar-se no Universo. Witstok explica: "A grande bolha de hidrogénio ionizado que rodeia esta galáxia pode ter sido criada por uma população peculiar de estrelas - muito mais massivas, mais quentes e mais luminosas do que as estrelas formadas em épocas posteriores, e possivelmente representativa da primeira geração de estrelas". Um poderoso núcleo galáctico ativo, impulsionado por um dos primeiros buracos negros supermassivos, é outra possibilidade identificada pela equipa.

Os novos resultados não poderiam ter sido obtidos sem a incrível sensibilidade ao infravermelho próximo do Webb, necessária não só para encontrar galáxias tão distantes, mas também para examinar os seus espetros ao pormenor. O antigo cientista do projeto NIRSpec, Peter Jakobsen, do Cosmic Dawn Center e da Universidade de Copenhaga, na Dinamarca, recorda: "Seguindo os passos do Telescópio Espacial Hubble, era evidente que o Webb seria capaz de encontrar galáxias cada vez mais distantes. No entanto, como demonstrado pelo caso de GS-z13-1, seria sempre uma surpresa o que poderia revelar sobre a natureza das estrelas nascentes e dos buracos negros que se formam no limiar do tempo cósmico".

A equipa planeia continuar as observações de GS-z13-1, com o objetivo de obter mais informações sobre a natureza desta galáxia e sobre a origem da sua forte radiação Lyman-α. O que quer que a galáxia esteja a esconder, irá certamente iluminar uma nova fronteira na cosmologia.

// ESA (comunicado de imprensa)
// ESA/Webb (comunicado de imprensa)
// NASA (comunicado de imprensa)
// STScI (comunicado de imprensa)
// Universidade de Cambridge (comunicado de imprensa)
// Cosmic Dawn Center (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature)

Quer saber mais?

Universo:
Wikipedia
Estrutura a grande-escala do Universo (Wikipedia)
Big Bang (Wikipedia)
Cronologia do Universo (Wikipedia)
Modelo Lambda-CDM (Wikipedia)
Reionização (Wikipedia)

Radiação Lyman-α:
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JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey):
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